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表面多孔换热管结垢特性研究现状及发展点击：1934 日期：[ 2014-04-26 22:06:08 ] |
| 表面多孔换热管结垢特性研究现状及发展 刘阿龙 徐宏 孙岩 张莉 王学生 (华东理工大学机械与动力工程学院) 摘要：表面多孔换热管是近年来发展的一种很有前途的沸腾传热强化技术,它能够长期稳定地强化沸腾传热,对表面多孔换热管结垢特性的研究是今后改进该技术并且进行推广的前提。重点阐述了近年来国内外学者在该方面的研究现状,对各种结垢机理进行了分析归纳;对表面多孔换热管和污垢的知识做了介绍,并对已经进行了工业化生产的2种表面多孔管的特性和应用情况进行了分析。最后提出了表面多孔换热管结垢研究的新方向和今后发展应注意的一些问题。 关键词：表面多孔换热管 结垢 强化传热 换热器 研究现状 发展方向 工业生产的许多领域都大量使用管壳式换热器,但这种换热器与各种新型的换热器相比,不仅换热性能低而且能耗大,因此没有什么优势。目前国际上有一种趋势,即通过对普通换热管进行表面处理来提高其换热性能,其中强化核态沸腾传热效果最明显的是表面多孔换热管(简称多孔管),多孔管表面多孔层的形成方法有机械加工法[1]、火焰喷涂法[2-3]、烧结法[4]、电镀法[5]、化学腐蚀法[6]、激光法[7]等,这种强化传热管可大大提高沸腾传热系数,并且已经得到广泛承认。目前已有许多学者提出了不少描述多孔表面传热机理的数学模型,这些模型在一定程度上反映了多孔层内汽液的运动情况,从不同的角度揭示了其强化传热的实质,为工程应用提供了设计依据。然而,遗憾的是这类强化传热管的结垢特性和机理还没有被系统地研究过,也没有可用于该类换热器设计的污垢热阻数据。关于多孔管结垢特性的研究,虽然国内外有一些相关报道,但是数据十分缺乏,且比较分散因此,笔者拟对各种多孔管的结垢特性做一系统评述,希望对该方面的研究有所促进。表面多孔换热管(多孔管)和污垢的概述 1·多孔管 多孔管是近年来发展的一种很有前途的沸腾传热强化技术,它是通过烧结、火焰喷涂、化学腐蚀、精密仪器加工等方法,在传统的光滑换热管(光滑管)表面上制造1层多孔结构,这种多孔层不同于一般的多孔层,它是一种具有内凹型孔穴,且内部互相连通的结构,能够长期稳定地强化沸腾传热。中国石化扬子石油化工股份有限公司和镇海炼化分公司、中石油吉林石化分公司等从1996年起花巨资从美国UOP公司进口了数百吨烧结型表面高通量换热管(HighFluxTubing)在国内制成换热器,用于新建或扩容改造,换热效果成倍提高。 (1)多孔管的优良性能 多孔管具有如下优良性能:①多孔管能显著提高沸腾传热系数。根据国外的资料,在其它条件相同时,多孔管的沸腾传热系数可以达到普通光滑管的10倍左右[8]。文献[9]报道了采用丙酮为工质的实验,其沸腾传热系数可达到光滑管的7~9倍。国外个别文献也曾报道这种强化传热管的沸腾传热系数可达到普通光滑管的50倍[10]。②多孔表面的沸腾温差很小,在烃类等表面张力较小的介质中,一般仅为光滑表面的11~18[11]。③这种强化传热管还能提高沸腾时的临界热流密度,从而推迟膜态沸腾的发生。实验表明,在三氯代乙烷介质中这种管的大容积沸腾临界热流密度值约为普通光滑管的1·8倍。④具有较强的抗垢能力,这主要是多孔层中存在强烈的汽液循环过程,即使有些污垢在换热管表面沉积下来,也会被循环的液体冲刷掉,从而溶解到主体溶液中去[12]。 多孔管的制造方法虽然很多,但是至今只有烧结法和机械加工法进行了大规模生产。如美国联合碳化物公司(现为UOP公司)生产的烧结型高热流管,国内华东理工大学开发的复合粉末低温烧结型表面多孔换热管(SCPST),日本日立公司的Thermoexcel—E型表面多孔换热管,都具有极好的换热性能,其它的方法还处于实验室实验阶段。 (2)烧结型表面多孔换热管(简称烧结型多孔管) 烧结型多孔管是通过烧结的方法在普通光滑管的内外表面烧结1层铜、铝、钢、不锈钢等金属颗粒,形成多孔层,相关的照片如图1和图2所示。目前这种产品在国际上已是一种成熟的产品,而国内则刚刚进行工业化生产。 该换热管是20世纪60年代末美国联合碳化物公司最早开发的[13],我国北京化工研究院于20世纪70年代后期也进行了试制[14],目前华东理工大学已经成功开发出这种产品,并且已经进行了工业化应用。这种强化传热管的特征参数如下:多孔层厚度0·1~1·0mm;孔隙率45%~80%;当量半径(平均孔径)80~150μm。 据文献报道,烧结型多孔管在各种多孔管中换热效果最好[15],这是因为这种管具有大量的孔穴,提供了大量的汽化核心,同时孔穴内部又是随机连通在一起,因此保证了孔穴中随时有汽泡,且核化点不会干涸。 烧结型多孔管具有许多优点,如沸腾传热效率高、可以同时在内外两面烧结多孔层进行双面强化、可以加工十几米的长管、生产效率高等。因此,是很有发展前途的一种强化传热管。 (3)机加工型多孔表面换热管(机加工多孔管) 烧结型多孔管虽然具有很多优点,但是也有一些缺点,如制造工艺复杂,表面多孔层孔径不均匀,复制性差,孔径一般较小,所以后来发展了机加工多孔管。 机加工多孔管是用精密机床在管子的外表面上加工1层尺寸均匀的多孔层,它最早是日本日立公司开发的。这种多孔管外表面上开有许多三角形孔穴,这种管子的特征参数如下:孔穴的内接圆直径0·03~0·20mm,同一隧道上的三角形孔节距为0·6~0·7mm,平行隧道节距为0·4~0·6mm,隧道高度0·40~0·62mm,隧道宽度为0·14~0·25mm。 机械加工多孔管除了Thermoexcel—E换热管外,后来又发展了Gewa—T[16]和ECR—40[17]2种表面多孔管。这些换热管的表面内凹穴呈T形,有时简称T形管。 机加工多孔管与烧结型多孔管相比,孔径均匀,可重复性好,换热性能与其接近,尤其在表面张力较大的液体如水等介质中,其沸腾换热效率甚至超过了烧结型多孔管,生产成本低,制造效率高,因此也是一种很有前途的强化传热管。 目前,多孔管的应用场合非常广泛,可应用于乙烯分离装置的塔顶冷凝器和重沸器、空分装置的主冷凝器———蒸发器、乙二醇蒸发、天然气液化、普冷、深冷、海水淡化、海洋温差发电、余热回收、地热利用、航空航天等高效换热设备中[18-19]。2·污垢 1990年,Somerscales对污垢做了如下严格的定义:换热面上妨碍传热和增加流体阻力的沉积物[20],它通常以混合物的形态存在。污垢是热的不良导体,其热导率一般只有碳钢和不锈钢的数十分之一,与铜等热的良导体相比差别更大。了解污垢的分类有助于人们了解污垢的特性。污垢的分类方法很多,其中应用最广泛的是按控制结垢形成的主要沉积机理,将液侧污垢分为6类[21]:析晶垢、化学反应垢、颗粒垢、腐蚀垢、生物垢、凝固垢。在生产中,污垢常常是混合在一起,并且换热壁面上生成的污垢之间会互相影响。 污垢对换热设备和换热网络的影响主要表现在以下方面:总传热系数K随污垢热阻的增加而减小,因此设计换热器时必须额外增加传热面积,以补偿污垢热阻的影响;由于污垢热阻值具有不确定性,设计者往往采用较保守的值以增大安全系数,这使换热面积更加不必要地增大;由于污垢是热的不良导体,污垢沉积在设备表面提高了壁温,影响了传热效果,降低了生产效率;污垢在管内沉积使管内流体的流道截面积变小,增大了流动阻力,导致泵或风机的消耗功率增加。 对于污垢的评价主要采用以下指标:①污垢热阻法,即任意时刻换热管总的传热系数的倒数与清洁状态下总的传热系数倒数之差;②洁净系数法,即结垢时总传热系数与清洁时总传热系数之比,一般规定洁净系数大于0·75时可认为换热器传热面是清洁的,当洁净系数小于0·75时可认为有不同程度的污垢,应进行清洗;③冗余面积法,冗余面积不仅随污垢热阻的增加而增大,而且清洁换热器的总传热系数越大,污垢对换热性能的影响也越大;④单位换热量的熵增率法,该指标不仅由热力学第二定律得到,而且包含了冗余面积指标[22]。 影响结垢的因素很多,归纳起来,主要有流体性质、流体流速、换热设备参数、流体本体和换热表面的温差[23],其中流体浓度、流速和壁温对结垢影响较大。流体的浓度增加一般都会加剧结垢。流速增加对结垢的影响比较复杂,部分学者认为,流速增加时增加了流体与换热面的接触频率,会加剧污垢在换热表面的沉积;也有学者认为,流速的增加会增大流体的剪切力,加剧污垢的剥离,因此可以缓和结垢。壁温增加会增加液体的过热度,加速液体颗粒向壁面沉积,因此会加剧结垢。 虽然污垢的形成过程各不相同,但都是在清洁换热面与不洁净流体接触后才出现的,并且是2个过程相互作用的结果:一是污垢沉积在换热面上使热阻增加;二是已存在的污垢被流体冲击而剥离使热阻减小。因为沉积速率和剥离速率受很多因素的影响,因而模型各异,但大致可以分为4种模型,即直线型、幂律型、降率型、渐近线型。 国内外多孔管结垢特性研究进展结垢性能的实验比一般的传热实验需要更长的时间[24-25],另外这类强化传热管的表面结构较为复杂,增加了研究的困难。尽管如此,美国联合碳化物公司和日本日立公司等研究机构还是对多孔管的抗垢性能做了一些实验。 美国联合碳化物公司(UnionCarbideCorpora-tion)的Gottzmann等人[26]用烧结法制造的表面多孔换热管,在实验室分别以盐水及含油介质做结垢实验,并在工厂里做了许多现场实验。如在100℃时用含可溶固体质量分数8·71%的浓缩海水做池式沸腾实验,经过20多天的实验,发现溶液的沸腾传热系数没有多大的变化,同时计算出每蒸发1kg水至少有9·4kg溶液进入多孔层内循环。另外还模拟了多效蒸发器的各阶段浓缩水,溶解了高达约39%的有机物和无机物,进行了近400h的单管实验,发现在整个过程中没有污垢出现。以上实验结果表明,烧结型多孔管适用于较低浓度盐溶液沸腾的场合,长期运行不会出现积垢,同时还总结出了多孔管具有抗垢能力的原因: (1)沸腾过程中,流体在孔隙中的循环量很大,可防止污染物或固体悬浮物局部增浓; (2)由于有效温差小,壁温很接近液体的主体温度,不会产生过热和结焦; (3)多孔层具有很高的毛细管特性,保证了管壁的润湿,可防止局部干涸及热斑的产生,减少了物质聚合沉积成垢的机会。 日本日立公司Wataru、Nakayama等人[27]用机械加工制造的多孔管做了防垢性能实验,并称机加工多孔管比烧结型多孔管具有更优良的抗垢性能。 Somerscales等[28-29]研究了烧结型多孔管的污垢特性,发现表面过热度大时污垢热阻也大,因为多孔管的表面过热度很小,所以该种强化表面的抑垢效果应大于光滑表面。 Coe[30]和Monthie[31]用大尺度多孔表面在CaSO4溶液中进行了结垢特性的模拟研究,表明多孔层起到了肋片的作用。 国内北京化工研究院与华南工学院化工研究所联合在南京炼油厂对多孔管的脱乙烷重沸器进行了现场实验,发现多孔管表面变黑色,类似结碳,是表面积垢还是表面氧化,还没有做出分析鉴定,因实验时间短,故未发现对传热性能有影响。华南理工大学郑康民[11]对机加工多孔管的研究表明,正溶解性盐NaCl水溶液沸腾时,多孔管存在着一临界结垢浓度,如果介质的浓度低于这一临界浓度,则多孔表面不会出现结晶结垢,长期操作也能保持其高效性。如果介质的浓度达到其临界浓度,就会使进入多孔层的液体不足以将因蒸发而留下的盐溶解,便有盐在多孔层中析出,盐的析出使多孔层中隧道的通道变窄,液体循环受到阻碍,结晶析出的速度加快,传热性能下降。 在逆溶解性盐CaSO4中,由于结垢表面多孔管和光滑管的温差(Tw-Tb)都随时间的增加而增加,最后达到渐近值。但是多孔管的渐近值都低于光滑管的值,说明多孔管在此种情况下的抗垢性能比光滑管优良,同时指出沸腾过程中进入多孔层的液体量越大,临界结垢浓度越高,防止结晶结垢的能力就越强。 谭志明等人[32]在恒温差条件下,以MnSO4·H2O水溶液为介质,研究了机加工多孔管在蒸发过程中的传热和结垢性能。实验结果表明,在实验的传热温差和溶液浓度范围内,多孔管的沸腾传热系数为光滑管的2~3倍,多孔管的抗垢性能也明显优于光滑管。 张良军[33]对T形管和光滑管在蒸馏法海水淡化过程中的结垢性能进行了研究,发现采用T形管后,过热度由原来的8℃降低到5℃,管外沸腾传热膜系数约增大80%,长期运行后热阻只增加了15%,而光滑管的热阻则增加100%。因此,T形管可以强化海水沸腾过程,而无需增加功耗,会大大降低造水成本。 笔者目前主要从事烧结型多孔管传热与抗垢性能研究,主要对多孔管在NaCl溶液、CaSO4溶液和海水中的抗垢性能进行研究,得出如下结论: (1)采用临界循环量和临界结垢浓度方法,对烧结型多孔管在NaCl溶液中结垢特性进行研究,可得R=149·07/q+11·73,说明烧结型多孔管的临界循环量R随着热流密度q的增大而减小,减小热流密度可以提高多孔管的多孔层内临界循环量。同时可得临界循环量Co与临界浓度CS的关系式： (2)采用多孔层内汽液交换模型,通过质量守恒定律和能量守恒定律对影响多孔层循环量的各个参数进行分析,从微观机理上对其结垢特性做了研究,解释了多孔层为什么具有抗垢特性。 (3)烧结型多孔管在1·8g/LCaSO4溶液中,污垢增长的趋势呈渐进线形,大概在实验进行了100h后出现稳定增长,而光滑管污垢的增长没有明显的平台出现,且污垢热阻的值远远大于多孔管,说明烧结型多孔管具有抗垢性能。 (4)在实验室配的海水溶液中,多孔管在浓度较高时传热系数曲线与常见的渐近线模型更接近;在浓度低时污垢热阻变化非常小;随着浓度的增加传热曲线明显不同。可能的原因是:在浓度较低时由于气泡脱离换热面促进了液体的湍流程度, 使得沉积物快速再次溶解到液体中,随着浓度的增加这种作用相对地逐渐减弱,说明多孔管在低浓度时具有抗垢性能。 由以上分析可以看出,尽管前人和笔者对多孔管的结垢特性进行了一些探讨,也得出一些重要结论,如多孔管的抗垢性能优于光滑管,同时对多孔管在不同溶液中的结垢特性进行了定量研究。可是,由于污垢问题的复杂性,要对结垢进行准确地预测仍很困难,而且目前的研究主要停留在实验阶段,没有提升到理论高度,因此今后仍需进行系统的研究。 有待进一步研究的几个问题 (1)多孔层的特征参数严重影响多孔层中的汽液循环和沸腾传热,因此必然对污垢在换热表面的沉积速率有影响,目前关于这一方面的研究还没有开始,今后需在这一方面进行全面深入的研究。 (2)难溶性盐与易溶性盐的结垢机理不同,尤其是在多孔层这种特殊结构中,因此对其结垢性能应该从不同的角度采用不同的方法进行研究。目前对于易溶性盐主要采用临界结垢浓度方法,对于难溶性盐主要采用积垢曲线进行研究,但是这2种方法并不是十全十美的,今后随着研究的进一步深入,测量手段的进一步发展,需要提出更加科学有效的方法。 (3)现实溶液中常常是各种盐共同存在,各种结垢机制互相影响,因此对多孔管在复合盐溶液中的结垢性能仍需进一步研究。 (4)任何科学的研究都需要理论做指导,目前关于多孔管结垢特性的研究还停留在初期的实验研究阶段,随着今后研究的深入,迫切需要有相关的理论指导,需要建立相关的结垢速率数学模型,同时应该从流体力学及界面化学的角度对其积垢过程进行分析,还应采用SEM等先进设备对其垢层的组织和形貌进行表征。 参 考 文 献 [1] Fujie,Kunio,Nakayama,etal·HeatTransferWallforBoilingLiquid·USA:4060125,1977· [2] 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